11. Экспериментальные методы анализа и настройки коммутации
А. Общие соображения.
Произведенный в гл. 5 теоретический анализ коммутации машин постоянного тока на основе классической теории коммутации базируется, как мы знаем, на ряде допущений, облегчающих анализ, но не имеющих полной достоверности. Вследствие этого получаемые па основании классической теории выводы хотя и представляют собой правильные тенденции качественного порядка, но не дают возможности производить точные количественные расчеты.
Таблица 6-1
В результате не удается определить точное число витков добавочного полюса, установить точную величину зазора.
Химическое состояние поверхности коллектора оказывает заметное влияние на величину переходного сопротивления. При длительной работе медь коллектора покрывается тонкой оксидной пленкой повышенной твердости и нагревостойкости по отношению к искрению щеток и иногда приобретает темно-коричневую окраску («политура коллектора»). В этом случае переходное сопротивление увеличивается, и коммутация приобретает более благоприятный характер. Если же коллектор сохраняет свой натуральный цвет и имеет матовую поверхность, то это показывает, что на коллекторе еще не достигнуто устойчивое состояние, обеспечивающее надежную коммутацию.
При увеличении удельного нажатия на щетку падение напряжения ∆Uщ уменьшается сначала быстро, а затем все медленнее (рис. 6-12).
Линейная скорость на окружности коллектора мало влияет на величину ∆Uщ. Но если при повышенной скорости щетки начинают дрожать, то переходное сопротивление щеток может сильно возрасти, и это может неблагоприятно отразиться на процессе коммутации.
Приведенные выше значения ∆Uщ получены для контакта между щеткой и кольцом. Для коллектора значения ∆Uщ всегда несколько выше из-за большей неровности его поверхности по сравнению с поверхностью кольца.
При выборе марки щетки часто приходится руководствоваться взаимно противоречивыми соображениями. Так, например, с точки зрения улучшения коммутации выгодно брать более твердые щетки с большим переходным сопротивлением. Но так как эти щетки допускают меньшую плотность тока, то при этом увеличивается поверхность щеточного контакта, размеры коллектора и растут потери, С другой стороны, допустимая плотность тока под щеткой возрастает с уменьшением контактной поверхности щетки; поэтому выгоднее иметь большее число щеток меньшего размера, но при этом осложняется конструкция машины и растет ее стоимость.
Обычно в машинах постоянного тока нормального исполнения применяются графитные щетки, в машинах с более тяжелыми условиями коммутации — угольно-графитные или электрографитированные, а в машинах пониженного напряжения (до 30 в) медно- или бронзо-графитные.
12. Осциллографирование процессов коммутации
Весьма большой интерес представляют экспериментальные исследования тока в короткозамкнутых секциях в процессе коммутации, которые выполнялись рядом авторов различными методами. Е. Арнольд [301 производил осциллографические исследования тока в короткозамкнутой секции, которая разрезалась пополам в лобовой части и концы ее присоединялись к небольшому омическому сопротивлению; падение напряжения на этом сопротивлении подводилось с помощью двух контактных колец с наложенными на них щетками к магнитоэлектрическому осциллографу. К. И. Шенфер [31] разрезал обмотку якоря в одном месте и соединял концы ее с контактными кольцами, к щеткам которых присоединялась неподвижная секция, заложенная в пазы необмотанного якоря. Рядом с секцией в те же пазы закладывался дополнительный тонкий провод для измерения э. д. с., индуктированной в секции, а шунт в цепи секции давал возможность осциллографировать изменения тока в ней в процессе коммутации.
Недостатками указанных опытов являлось наличие значительного дополнительного контактного сопротивления между щетками и кольцами, а также погрешности записи магнитоэлектрическим осциллографом колебаний высокой частоты.
Значительно более точные и надежные результаты получились в исследованиях М. Болдвина [101] и О. Г. Вегнера [93] при осциллографировании токов коммутации с помощью безынерционного электронного осциллографа. При этом Болдвин использовал бифилярный контур по отношению к короткозамкнутой секции, концы которого присоединялись через контактные кольца к осциллографу. Болдвин этим методом произвел тщательные осциллографические исследования процесса коммутации на мощном тяговом двигателе типа GE-752, применяемом в массовом масштабе на тепловозах и электровозах США. Двигатель имел ступенчатую обмотку с и=3 и ε=2,5. Между двумя половинами каждого проводника были уложены бифилярные измерительные провода, присоединявшиеся через контактные кольца к электронному осциллографу, как это показано на схемах рис. 6-18, а и б.
Осциллографирование тока и напряжения производилось на всех трех секциях обмотки А, В, С в условиях замедленной, нормальной и ускоренной, коммутации при скоростях вращения, отличавшихся более чем в три раза (600 и 1950 об/мин).
Сравнение теоретически возможных форм изменения тока по рис. 5-8, а при весьма ускоренной коммутации (кривая 6), нормально ускоренной коммутации (кривая 5) и заметно замедленной коммутации (кривая 3) с экспериментальными кривыми на рис. 6-19, а, б и в показывает, что экспериментальные кривые достаточно хорошо иллюстрируют изменения тока в секциях в условиях нормально ускоренной, замедленной и сильно ускоренной коммутации.
Рис. 6-18. Схема включения бифилярных проводников для осциллографирования токов в коммутируемых секциях в опытах Болдвина
Рис. 6-19. Осциллограммы токов в коммутируемых секциях, полученные Болдвином: а — замедленная коммутация; б — нормально ускоренная и в — сильно ускоренная коммутация
Условность исходных положений классической теории вызвала ряд попыток приблизить теоретические предположения к результатам экспериментальных исследований. Поскольку одно из основных положений классической теории — постоянство удельного сопротивления между щеткой и коллектором — определенным образом расходится с действительностью не только для статических, но и для динамических зависимостей переходного падения напряжения от плотности тока в контакте, О. Г. Вегнер предложил исходить из другого достаточно крайнего предположения.
О. Г. Вегнером было проведено весьма значительное количество экспериментальных исследований как на специально подготовленной для эксперимента машине постоянного тока в 130 кВт с волновой ступенчатой обмоткой, так и на ряде машин нормального исполнения. Изменения тока в исследованиях О. Г. Вегнера в основном носили характер нормально ускоренной коммутации. Подобный же характер изменения тока получался и в исследованиях Болдвина, но кривые тока сильно ускоренной и заметно замедленной коммутации в исследованиях Вегнера отсутствуют, поскольку, очевидно, этими режимами он в достаточной степени не интересовался. Нужно отметить, что представления Вегнера для больших переходных плотностей тока и соответствующих им падений напряжения ΔU1 и ΔU2 могут иметь известные основания. Но при малых переходных плотностях тока положения классической теории при ускоренной и замедленной коммутации, по-видимому, оказываются ближе к действительности, а они имеют по существу решающее значение для объяснения процесса безыскрового разрыва короткозамкнутого контура в процессе коммутации тока.
13. Практические выводы по теоретическим и экспериментальным исследованиям коммутации
На основании имеющихся в настоящее время наиболее достоверных теоретических положений и значительного количества подробных экспериментальных исследований можно составить ряд общих выводов в отношении процесса коммутации при ширине щетки, превышающей ширину коллекторной пластины.
Классическая теория коммутации, исходящая из постоянства удельного сопротивления под щеткой во всем периоде коммутации рщ в определенной степени расходится с действительностью не только в отношении статической, но и динамической зависимости переходного падения напряжения между щеткой и коллектором от плотности тока в контакте. Однако разделение токов коммутации на две составляющие — прямолинейную iл и добавочную ik — весьма полезно, поскольку этот метод дает возможность определять:
- форму коммутирующего поля для получения наиболее благоприятной коммутации с учетом как самоиндукции самой секции, так и взаимоиндукции соседних секций;
- коммутационную реакцию поля в зоне коммутации и его размагничивающее и намагничивающее действие иа основное поле.
Это является весьма важным, так как характеризует поведение машины постоянного тока в процессе коммутации.
Крайние предположения Вегнера, исходящего из постоянства переходного напряжения ∆Uщ=const, при котором разность переходных падений напряжения под сбегающим и набегающим краями щетки
и внезапного изменения этой разности на их сумму
, не могут считаться доказанными и оправданными с теоретической точки зрения. Однако многочисленные экспериментальные исследования Вегнера наряду с другими экспериментальными исследованиями являются полезными, хотя их трактовка в большинстве случаев может быть и иная по сравнению с той, которую дает сам Вегнер.
В особенности нужно отметить, что при малых плотностях тока, а также при снятии динамических характеристик падения напряжения положения классической теории являются достаточно оправданными, что имеет решающее значение для получения умеренно ускоренной коммутации, которая признается в настоящее время наиболее благоприятной для достижения безыскровой коммутации (см. стр. 173).
Большое значение имеет снятие кривых подпитки, которые позволяют оценивать качество коммутации и дают необходимые данные для более тщательного подбора числа витков добавочного полюса (машины малой мощности) и величины зазора под добавочным полюсом (машины средней и большой мощности).
При анализе условий коммутации необходимо различать два класса машин постоянного тока: машины малой мощности (меньше 100 кВт) и машины средней мощности (больше 100 кВт).
Первые отличаются малыми не регулируемыми по величине воздушными зазорами под добавочными полюсами и имеют значительно меньшую точность выполнения по геометрическим размерам машин, установке щеток в щеточных обоймах, величинам воздушных зазоров и т. д. Поэтому машины одного и того же типа, мощности, скорости вращения и ее регулирования, выполненные по одним и тем же электрическим данным и конструктивным чертежам, могут давать заметные отклонения — разброс — по своим коммутационным качествам.
Поскольку эти машины изготовляются по методу массово-поточного или серийного производства, они должны иметь большие технологические допуски и поэтому в них должны быть допущены меньшие реактивные э. д. с. Хотя экспериментальным путем и можно в известной степени повысить коммутационные качества каждой из таких машин, такая наладка не удовлетворяет требованиям массового производства.
Если взять машины одного и того же габарита, одной и той же номинальной скорости вращения, но различного напряжения, например 110, 220 и 440 в, то наиболее легкими по коммутации будут нерегулируемые машины наименьшего напряжения 110 в, а наиболее трудными — регулируемые машины на 440 в, поскольку при тех же основных данных va, l1, А и ζ последние будут иметь числа витков короткозамкнутых секций wc, в 4 раза большие.
Однако если взять машину постоянного тока с регулированием скорости вращения в отношении 1 2 на 220 в и нерегулируемую машину 440 в, то несмотря на пониженную в 2 раза мощность при верхней скорости, условия коммутации первой из них будут приблизительно в 2 раза тяжелее. Наиболее трудными по коммутации являются машины постоянного тока, регулируемые в отношении 1 3 — 1 4 на 440 в, поскольку они имеют наибольшее число витков в короткозамкнутых секциях wc и соответственно наибольшую реактивную э.д.с. еr.
В машинах постоянного тока массового производства с малыми величинами воздушных зазоров под добавочными полюсами наблюдается относительно большое влияние насыщения добавочных полюсов. поэтому они более чувствительны к перегрузкам имея кривые подпитки типа показанных на рис. 6-17.
Машины постоянного тока большой мощности имеют относительно большой воздушный зазор под добавочными полюсами, поэтому насыщение добавочных полюсов в них проявляется в значительно меньшей степени, особенно при наличии второго воздушного зазора у основания добавочного полюса и компенсационной обмотки.
С другой стороны, нужно учесть, что в крупных машинах с большим числом щеток на палец для каждого момента времени получается значительное число точек непосредственного контакта. Лучшее приближение к предположениям классической теории имеют машины с двумя щетками в каждом щеткодержателе и раздвижкой щеток в шахматном порядке, так как это еще более увеличивает число точек непосредственного контакта между щетками и коллектором.
В последнее время начали находить применение в ответственных тяговых двигателях электровозов также разрезанные на две части щетки, имеющие повышенные сопротивления в поперечном направлении. Такие машины обладают устойчивой коммутацией не только в условиях нормальной нагрузки, но также при значительных перегрузках, как длительных, так и толчкообразных.
Поскольку в машинах постоянного тока с большими воздушными зазорами и ступенчатыми обмотками гораздо легче подобрать коммутирующее поле добавочных полюсов, более полно и точно компенсирующее реактивное поле коммутации, то в этом случае можно увеличить значение реактивной э. д. с. коммутации и таким образом повысить использование машин постоянного тока для ответственных режимов их работы.
